Оптические исследования фотонных кристаллов на основе синтетических опалов

• Автор: Барышев, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 172 с.

Содержание
Введение
Глава 1: Обзор литературы
1.1. Основные параметры фотонных кристаллов.
Образование фотонной зонной структуры
1.2. Фотонные кристаллы для видимой области спектра
1.2.1. Фотонные кристаллы на основе коллоидных систем
1.2.2. Оптические исследования природных опалов
1.2.3. Исследования синтетических опалов
1.2.4. Композитные материалы на основе
опалов и инвертированные опалы
1.3. Постановка задачи
Глава 2: Экспериментальные методики
2.1. Особенности синтеза синтетических опалов. Подготовка образцов
2.2. Схемы регистрации оптических спектров
2.2.1. «Одномерная» схема регистрации
2.2.2. «Трехмерная» схема регистрации
2.3. Топографирование поверхности опалов
Г лава 3:Особенности структуры образцов синтетических опалов
3.1. Исследование структуры синтетических опалов
с помощью электронной и атомно-силовой микроскопии
3.2. Анизотропия структуры опалов по оси роста
3.2.1. Предварительные исследования
3.2.2. Сравнительный анализ спектров пропускания
и отражения синтетических опалов
3.3. Анализ одномерной запрещенной зоны
3.4. Неоднородное уширение спектров пропускания
3.5. Структура приповерхностной области синтетических опалов
3.5.1, Отражение света от ростовой поверхности опала (111)
3.5.2. Механизм спектрально-углового уширения
дифракционного рефлекса
Выводы к главе 3
Г лава 4: Дифракция света на синтетических опалах
4.1. Выводы теории дифракции света на опалах
4.1.1. Общие соотношения
4.1.2. Дифракция света на отдельном слое
4.1.3. Дифракция на случайной упаковке слоев
4.2. Дифракция света на системе ростовых плоскостей (111)
4.2.1. Дифракция монохроматического света
4.2.2. Дифракция белого света
4.3. Дифракция при распространении света
вдоль системы ростовых плоскостей (111)
4.3.1. Трансформация дифракционной картины
4.3.2. Дифракция при падении света в геометрии [211]
4.4. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими результатами
4.4.1. Дифракция на системах плоскостей {111} двойникованной структуры
4.4.2. Одномерный беспорядок в структуре
4.4.3. Красная граница дифракции на двумерной гексагональной решетке
4.5. Аналогия с дифракцией рентгеновских лучей
Выводы к главе 4
Глава 5: Фотонная зонная структура синтетических опалов
5.1. Прямая и обратная решетка синтетических опалов
5.2. «Модельная» зона Бриллюэна
5.3. Спектры пропускания синтетических опалов (эксперимент)
5.4. Сравнение экспериментальных и теоретических данных
5.5. Визуализация фотонной зонной структуры
Выводы к главе 5
Заключение
Приложение
Список цитируемой литературы

Введение
Исследование фотонных кристаллов - новое направление в физике твердого тела, возникновение которого принято связывать с экспериментальной работой Е. Яблоновича (Е. Yablonovitch) [1] и теоретической работой С. Джона (S. John) [2]. Е. Яблоновичем была создана и исследована структура (рис. 1), в которой диэлектрическая проницаемость модулирована с периодом «1 cm во всех трех измерениях. Основной задачей работы [1] было изучение спектров пропускания электромагнитного излучения через такую структуру при условии совпадения масштаба модуляции диэлектрической проницаемости и длины волны зондирующего излучения (сантиметровый диапазон, и и 10 GHz). Было обнаружено, что при выполнении условия такого «резонанса» спектры пропускания содержат характерные полосы, происхождение которых не тривиально. Эти полосы «непропускания» не связаны ни с поглощением в объеме структуры, ни с отражением от его поверхности образца, а обусловлены брэгговским рассеянием электромагнитных волн [3]. В работе [2] теоретически было показано, что в подобных материалах с периодической модуляцией диэлектрической проницаемости из-за брэгговского рассеяния возможно возникновение запрещенной зоны (щели) в плотности фотонных состояний. Новый класс структур, который впервые рассматривался в работах [1,2] в дальнейшем получил название фотонных кристаллов [4].
Фотонными кристаллами принято называть периодические структуры (как правило, слабопоглощающие), состоящие из различных диэлектрических материалов (обычно двух) и обнаруживающие запрещенные и разрешенные зоны в спектре собственных электромагнитных состояний. Возникновение фотонной зонной структуры является следствием брэгговского рассеяния электромагнитных волн на периодическом возмущении профиля диэлектрической проницаемости внутри кристалла.

<§- ~2 Sso

Wavelength (nm)

Wavelength (nm)

Рис. 1.17. Спектры пропускания опала при сканировании различных направлений зоны Бриллюэна: а - Ь -» X сканирование, Ъ - Ь -» К сканирование.